Способы управления индикаторными панелями на основе ЖК материалов определяются особенностями их физических эффектов. При работе на постоянном токе долговечность примерно на порядок ниже, чем на переменном. Это обусловлено миграцией примесей к электродам под действием постоянной составляющей управляющего сигнала, что ведет к снижению контрастности изображения. На рис 9 приведена схема импульсов управления напряжениями сдвинутыми по фазе так что на пары электродов подается биполярный сигнал не имеющий постоянной составляющей.

Время запаздывания включения и выключения ячеек ЖК индикатора показывает, что время выключения на порядок превосходит время включения. Известны способы уменьшения времени выключения путем подачи короткого импульса с высокой амплитудой или возбуждающего напряжения частотой 10 – 40 кгц в течение нескольких миллисекунд

©2015-2019 сайт
Все права принадлежать их авторам. Данный сайт не претендует на авторства, а предоставляет бесплатное использование.
Дата создания страницы: 2016-04-27

Типы жидкокристаллических индикаторов

Жидкокристаллический индикатор (ЖКИ) был создан на эффекте динамического рассеяния, являю­щемся токовым эффек­том.

Работа такого ин­дикатора иллюстриру­ется рис. 2.25. В ячей­ке, заполненной нематиком с отрицательной диэлектрической ани­зотропией, при планарной ориентации в от­сутствии или при малом напряжении на электродах вещество однородно и прозрачно (рис. 2.25,а).

При приложении к ячей­ке порогового напряжения, не зависящего от толщины слоя и слабо зависящего от температуры, возникает волнистая доменная структура - своеобразный рисунок, обусловленный упорядоченным изменением направления директора (рис. 2.31, б). При превышении порогового напряжения доменная струк­тура превращается в ячеистую (рис. 2.31, в). При напряжениях, значительно превышающих пороговое, в жидкости возникает вих­ревое движение. В результате возникновения вихрей жидкий кристалл полно­стью теряет оптическую однородность и рассеивает свет во всех направлениях. Этот электрооптический эффект и называется динамическим рассеянием.

В настоящее время наиболее распространены индикаторы, ис­пользующие полевой твист-эффект. Работа ячейки со скрещен­ными поляризатором Пи анализатором Апоказана на рис. 2.26. В отсутствие напряжения молекулы в ней закручены приблизи­тельно на 90° благодаря ориентирующему действию подложек (рис. 2.26, а). В этом случае свет, падающий на ячейку сверху, поляризуется таким образом, что его вектор поля­ризации совпадает с направ­лением директора D у верхней подложки. При прохождении сквозь слой жидкокристаллического вещества плоскость поляризации света вращается и при попадании в нижнюю подложку оказыва­ется перпендикулярной пло­скости чертежа. В результате свет свободно выходит через анализатор и попадает к на­блюдателю.

При наложении на ячейку напряжения, создающего поле значительно выше порогового, вещество с положительной диэлектрической анизотропией стре­мится повернуться по электрическому полю и его директор D при­обретает вертикальное направление (рис. 2.26, б). Теперь уже жидкокристаллическая ячейка не вращает плоскость поляризации, а анализатор не про­пускает свет.

Жидкокристаллические индикаторы (ЖКИ) на твист-эффекте имеют преимущества по сравнению с индикаторами на эффекте динамического рассеяния, в несколько раз меньшие рабочие напряжения (3-10 вместо 15-40 В), большую долговечность, обусловленную меньшими ра­бочими токами (плотность тока 1-3 мкА/см 2 вместо 10 мА/см 2).

К недостаткам жидкокристаллических индикаторов на твист-эффекте относится меньший, чем у индикаторов на эффекте динамического рассеяния, угол обзора, что связано с узкой диаграммой направленности света при твист-эффекте и влиянием поляризаторов. Путем повы­шения управляющего напряжения до 5-6 В этот угол можно уве­личить до ±45° для управления постоянным напряжением, однако при использовании импульсных напряжений угол обзора заметно снижается. Еще одним существенным недостатком твист-индика­торов является необходимость использования поляризаторов, что приводит к потерям свыше 50 % света, повышает стоимость инди­катора и уменьшает его долговечность.

Индикаторы без поляризаторов могут быть созданы на основе эффекта «гость - хозяин», который иллюстрируется рис. 2.27. Стержневидные дихроические молекулы красителя (гость), кото­рые введены в ЖК-вещество, стремятся ориентироваться парал­лельно осям его молекул. Так как молекулы красителя поглоща­ют свет с поляризацией вдоль длинной оси молекул и пропускают свет с перпендикулярной ориентацией, то, управляя ориентацией ЖК, можно регулировать прохождение света.

В качестве основного электрооптического эффекта в таком жидком кристалле можно использовать переход из холестерического в нематическое состояние. Для начального холестерического состояния вещество имеет спиральную структуру и свет с любым направлением поляризации поглощается (рис. 2.27, а). При наложении доста­точно сильного электрического поля жидкокристаллическое вещество переходит в нематическое гомеотропное состояние, в котором все мо­лекулы красителя ориентиро­ваны вертикально, а падающий на ячейку свет свободно про­ходит сквозь нее (рис. 2.27, б). Описанная система перспек­тивна, так как позволяет по­лучить почти черное позитив­ное изображение на белом фоне при высокой яркости и до­статочно широком угле обзора.

Создание матричных жидкокристаллических индикаторов (ЖКИ) с информационной ем­костью, достаточной для построения графических СОИ или теле­визионных экранов, затруднено тем, что ЭО в них реагируют на действующее значение приложенного напряжения. Отношение этих значений напряжения на включенном и выключенном ЭО с ростом числа строк, по которым производится развертка, падает. В связи с этим жидкокристаллические экраны строят, используя комбинирован­ную термическую и электрическую матричную адресации или вво­дя в каждый ЭО интегрированные схемные элементы, обеспечи­вающие переход от матричной адресации к однокоординатной.

Схема фазовых переходов, происходящих в жидкокристалли­ческом веществе при комбинированном тепловом и электрическом воздействиях, показана на рис. 2.28. При повышении температуры, происходящем в результате нагрева строки матричного экрана, ве­щество переходит из упорядоченного смектического состояния в беспорядочное изотропное (стрелка 3). При охлаждении харак­тер фазового перехода зависит от того, наложено ли на жидкий кристалл электрическое поле или нет. Без электрического поля вещество переходит в смектическую фазу, для которой характер­ны макронеоднородности, вызывающие сильное рассеяние света (стрелка 1). Когда охлаждение ведется в электрическом поле, то в промежуточном нематическом состоянии происходит ориентация молекул по полю (стрелка 2).В конечной смектической фазе воз­никает упорядоченная ориентация и вещество оказывается опти­чески прозрачным.

В матричном индикаторе строчные электроды выполняются как омически нагреваемые резистивные полоски, а столбцы - как прозрачные полоски. Развертка изображения ведется по строкам, а на столбцы подаются информационные импульсы. Время ввода информации в одну строку равно 50 мкс, так как количество на­греваемого жидкокристаллического вещества и его тепловая инерция невелики. После охлаждения состояние вещества (прозрачное или рассеивающее свет) сохраняется, т. е. индикатор запоминает информацию.

Для работы жидкокристаллического индикатора важное значение имеет способ его подсветки. В твист-индикаторах применяют три системы под­светки: отражательную, просветную и отражательно-просветную.

В отражательной системе подсветки (рис. 2.29) внешний свет в жидкокристаллическую ячейку попа­дает только после прохождения левого поляризатора ЛП. Если на сегменты ячейки СЯне подано напряжение, свет после пово­рота вектора поляризации на 90° проходит через правый поляри­затор ПП и отражается рефлектором Р(рис. 2.29, а). При обрат­ном проходе свет снова поворачивается на 90° в слое жидкокристаллического вещества и свободно выходит наружу. Около тех сегментов индикатора, на которые подано напряжение, жидкокристаллическое вещество не способно вра­щать вектор поляризации, вследствие чего лучи света задержива­ются правым поляризатором (рис. 2.29, б). В таком индикаторе видны темные сегменты на светлом фоне.

Рис 2.36. Отражательная ЖК-ячейка на твист-эффекте: а - без напряжения; б – под напряжением

В просветной системе источник света располагается позади одного из поляризаторов. В качестве источника можно использовать миниа­тюрную лампу накаливания с диффузором или люминесцентный источник.

Просветно-отражательная система,в которой отражатель час­тично пропускает свет, идущий сзади, а частично отражает свет, падающий спереди, является наиболее универсальной.

Отражательные индикаторы применяются при достаточной, а просветные - при низкой освещенности окружающей среды.

Б. Характеристики жидкокристаллических индикаторов

Так как жидкокристаллические индикаторы отно­сятся к классу пассивных, то основным их оптическим параметром является не яркость, а контрастность (для просветных индикато­ров вместо контрастности часто пользуются коэффициентом про­пускания, который определяют как отношение интенсивностей выходящего света к падающему).

Вольтконтрастная характеристика жидкокристаллического ин­дикатора зависит не от амплитудного, а от действующего значения приложенного напряжения. Типичные вольтконтрастные характеристики твист-индикатора для углов наблюдения 0 и 45° показаны на рис. 2.30. Для пара­метрического задания кривой можно взять напряжения, соответ­ствующие 5, 10, 50 и 90 % контраста, обозначая их U 5 , U 10 , U 50 , U 90 .

Динамические параметры жидкокристаллических индикаторов определяются вре­менами реакции τ рк и релаксации τ рл. Кривая изменения конт­раста при наложении импульса на­пряжения имеет следующие участки: задержку включения, время нараста­ния (в сумме они равны времени ре­акции), задержку выключения (обыч­но очень малую) и время спада (две последние составляющие в сумме дают время релаксации).

Температурный диапазон работы жидкокристаллического индикатора часто ограничивается τ рк и τ рл, типичные значения которых составляют десятки миллисекунд при комнатной температуре и существенно возрастают при ее снижении. Времена τ рк, τ рл пропорциональны вязкости жидкокристаллического вещества, которая зависит от температуры как

η в = η в0 exp[ε a /(kT) ], (2.33)

где энергия активации ε а лежит в диапазоне (5-8)×10 - 20 Дж. Формула (2.33) показывает, что изменение температуры с 250 до 300 К меняет η в в 10-50 раз. Поэтому, даже если при снижении температуры рабочее вещество остается в жидком состоянии, ин­дикатор может оказаться неработоспособным из-за плохих дина­мических параметров. Приборы, рассчитанные на работу при низ­ких температурах окружающей среды, должны быть заполнены смесью ЖК-веществ, имеющей при этой температуре малую вяз­кость.

Таблица 2.8

Для повышения срока службы жидкокристаллических индикаторов их питают пе­ременным напряжением, исключая этим направленный характер электрохимических процессов. Чтобы даже небольшая составляю­щая постоянного напряжения не попадала на ЖК, используют ту же тонкую пленку SiO 2 , что и для пассивации.

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 когда
и 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.

В
следствие 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.

П
ри 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.

В

момент 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.

Н
овым 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.

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

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

Сколько внешних выводов у светодиодной матрицы размером 5×7?

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

Чем обусловлена необходимость двуполярного напряжения для управления ЖКИ?

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

На рис. 8.8, а показана схема возбуждения сегментов сигналом переменного напряжения . Устройство состоит из двух логических схем И с двумя входами ОО2, 003, инвертора 001 и ключа-формирователя на транзисторе УТ. На коллектор транзистора подается напря­жение, равное двойной амплитуде номинального переменного напряжения возбуждения данного жидкокристаллического индикатора.

На вход 002 подается напряжение возбуждения с частотой = (30.. .50) Гц, а на вход £ШЗ - напряжение гашения с частотой/г = (10...40) кГц. При низком логическом уровне управляющего сигнала открывается 002, и транзистор работает в импульсном режиме с частотой, соответствующей частоте возбуждения ЖК-сегмента. Управляющий сигнал с высоким логическим уровнем, поступающий с дешифратора на управляющий вход, от­крывает Б03. В результате устройство формирует напряжение повышенной частоты, на ко­торую ЖК-сегмент не реагирует. С учетом того, что устройство управления должно быть соизмеримо по потребляемой мощности с ЖК-индикатором, все логические схемы выпол­нены на основе КМДП-структур.

Кроме описанного, используется также другой тип устройства возбуждения ЖК-инди - каторов (рис. 8.8, б). На входе логических схем 002 и 003 от внешнего генератора подают­ся импульсные напряжения с частотой/в = (15...20) Гц, сдвинутые по фазе относительно друг друга на 180°. В зависимости от уровня управляющего сигнала на сегмент индикатора через ключ-формирователь (транзистор УТ) прикладывается напряжение прямоугольной формы, прямое либо сдвинутое по фазе. На общий электрод индикатора через другой ключ- формирователь (транзистор УТ2) постоянно подается сигнал одной фазы.

При совпадении фаз на электродах сегмента последний не возбуждается, при различии фаз происходит возбуждение сегмента. Отметим, что фазовый способ управления позволяет уменьшить напряжение питания индикатора в два раза.

При использовании многоразрядных индикаторов требуется большое число внешних соединений, необходимых для управления сегментов. Это заставляет прибегнуть к созда­нию мультиплексорного управления. На рис. 8.9 показан принцип управления четырехраз­рядным индикатором с разделенными общими электродами для каждого разряда, который заключается в объединении идентичных сегментов по всем разрядам и последовательной адресацией данных в соответствующие разряды. Процесс отображения четырехразрядного числа осуществляется по тактам. В каждом такте переменное управляющее напряжение прикладывается к шине управления сегментов и к линии общего электрода того разряда, ко­торый возбуждается в данном тракте. Благодаря большому времени релаксации жидких кристаллов, цифры разрядов в период между тактами возбуждения продолжают читаться без приложения напряжения.

Рисунок 1

В отличие от рассмотренных ранее индикаторов, ЖК-индикаторы являются пассивными. Различают два режима работы:

• На отражение;
• На пропускание.

Характерные отличия: текучесть, аморфная упорядоченная структура. Открыты в 1888 г., первые индикаторы - 1960 г.

Схематично ЖК-индикатор изображен на Рис.1:

Классификация:

• Нематики (электрические св-ва);
• Холестерики (температурные св-ва).

Режимы работы

Работающие на отражение

Рисунок 2

Верхний электрод выпаян в форме изображаемого предмета. Свет проходит через вертикальную полость, далее - через стекло - плоскость полости меняется, отражается о нижнюю поверхность (также смена плоскостей поляризации) и свет далее выходит, следовательно, пластина прозрачна для света. При повороте молекулы на 90 градусов сохраняется вертикальная плоскость поляризации, "отсекается" луч нижней поляризации, следовательно видно черную точку. При возбуждении молекулы регулируется поляризация поворота, от чего изменяется градация серого света (отражаться будет только часть светового луча).

Возбуждение

• Волной (частотный метод) - постоянное поддержание нужной структуры.
- постепенное разрушение структуры, следовательно нужна релаксация, иначе состояние вырождается.

Работающие на пропускание

Для индикаторов, работающих на просвет, убирается отражатель, из-за чего поляризаторы параллельно ориентированы. Также добавляется лампочка внизу. Тогда свет проходит свободно, если кристалл не возбужден; поляризаторы не скрещены. Если поляризаторы скрещены, то на темном фоне светятся белые линии.

Плотность поляризаторов зависит от того, как вырезается поляризатор. Т.о. цена изготовления не изменяется.

Рисунок 3

Классификация

Холестерики

Набор молекул, закрученных по спирали (множество молекул). Под действием температуры меняется ориентированность молекул спирали, следовательно, действует как дифракционная решетка, под действием температуры меняются цвета, реакция вплоть до 0.1 градуса. ЖК индикаторы пассивны, следовательно необходим внешний источник излучения

Нематики

Под действием переменного электрического поля перестраиваются молекулы. Электрооптические эффекты:

• динамическое рассеивание
• твист-эффект
• эффект гость-хозяин

Динамическое рассеивание

Конструкция элементарной ячейки ЖК-индикатора проста и содержит две стеклянные пластины, имеющие на внутренней стороне прозрачное проводящее покрытие. Между пластинами залит ЖК. Толщина ЖК лежит в пределах от 6 до 25 мкм. Такая конструкция по сути представляет собой плоский конденсатор. При отсутствии напряжения на ячейке ЖК-вещество однородно и прозрачно. При приложении к ячейке порогового напряжения возникает волнистая доменная структура. При превышении порогового напряжения доменная структура превращается в ячеистую, затем в жидкости возникает вихревое движение. ЖК теряет оптическую однородность и рассеивает свет во всех направлениях. Этот эффект называют динамическим рассеиванием.

Твист-эффект

В отсутствие напряжения питания на ячейке молекулы ЖК закручены приблизительно на 90° благодаря ориентирующему действию подложек П и А. Поляризатор - это оптический элемент, пропускающий свет, поляризованный в одном направлении, и гасящий свет, поляризованный в противоположном направлении, в зависимости от ориентации поляризатора. Если оси второго поляризатора, называемого анализатором, параллельны осям первого, то свет проходит через второй поляризатор; если же оси анализатора перпендикулярны, излучение гасится.

Свет, падающий сверху, поляризуется таким образом, что его вектор поляризации совпадает с направлением директора D у верхней подложки. При прохождении через ЖК плоскость поляризации света вращается (как директор у молекул ЖК) и свет проходит через анализатор. При питании ячейки напряжением выше порогового, вектор поляризации ЖК приобретает вертикальное направление и ЖК не вращают плоскость поляризации, а анализатор не пропускает свет.

Эффект гость-хозяин

Индикаторы без поляризаторов могут быть созданы на основе эффекта «гость-хозяин». Стержневидные молекулы красителя (гость) вводятся в ЖК (хозяин). Молекулы красителя стремятся ориентироваться параллельно осям молекул ЖК. В начальном состоянии, при нулевом напряжении на ЖК-ячейке, свет с любым направлением поляризации поглощается (рис. 5.4, а). При наложении достаточно сильного электрического поля ЖК-вещество переходит в состояние, в котором все молекулы красителя ориентированы вертикально, а падающий на ячейку свет свободно проходит сквозь нее.

Описанная система перспективна, так как позволяет получить почти черное позитивное изображение на белом фоне при высокой яркости и достаточно широком угле обзора. Контраст у индикаторов на эффекте «гость-хозяин» несколько хуже вследствие поглощения света красителем.

Примеры

TFT технология

Скорость обновления - скорость занесения информации в ячейку (а не изменения состояния вещества). Тонкоплёночный транзистор (TFT, англ. thin-film transistor) - разновидность полевого транзистора, при которой как металлические контакты, так и полупроводниковый канал проводимости изготавливаются в виде тонких плёнок (от 1/10 до 1/100 микрона). Изобретение датируется 1959 годом.

Применяются, например, в ЖК-мониторах как элементы управления активной матрицей на жидких кристаллах. Однако сами тонкоплёночные транзисторы, как правило, не являются достаточно прозрачными.

Недостаток - углы обзора

TN+film (Twisted Nematic + film)

TN + film - самая простая технология. Часть film в названии технологии означает дополнительный слой, применяемый для увеличения угла обзора (ориентировочно - от 90° до 150°). В настоящее время приставку film часто опускают, называя такие матрицы просто TN. К сожалению, способа улучшения контрастности и времени отклика для панелей TN пока не нашли, причём время отклика у данного типа матриц является на настоящий момент одним из лучших, а вот уровень контрастности - нет.

Матрица TN + film работает следующим образом: если к субпикселям не прилагается напряжение, жидкие кристаллы (и поляризованный свет, который они пропускают) поворачиваются друг относительно друга на 90° в горизонтальной плоскости в пространстве между двумя пластинами. И так как направление поляризации фильтра на второй пластине составляет угол в 90° с направлением поляризации фильтра на первой пластине, свет проходит через него. Если красные, зеленые и синие субпиксели полностью освещены, на экране образуется белая точка.

К достоинствам технологии можно отнести самое маленькое время отклика среди современных матриц, а также невысокую себестоимость.

Недостатки : худшая цветопередача, наименьшие углы обзора.

IPS технология

Молекула - в виде спирали. Можно получить структуру, имеющую определенную ориентацию и очень высокую плотность. Технология используется с двумя скрещенными поляризаторами, следовательно экран черный. Однако, яркость, по сравнению с TFT, ниже. Углы обзора - 174-176 градусов.

MVA/PVA

Матрицы MVA/PVA считаются компромиссом между TN и IPS, как по стоимости, так и по потребительским качествам. MVA (Multi-domain Vertical Alignment). Эта технология разработана компанией Fujitsu как компромисс между TN и IPS технологиями. Горизонтальные и вертикальные углы обзора для матриц MVA составляют 160° (на современных моделях мониторов до 176-178°), при этом благодаря использованию технологий ускорения (RTC) эти матрицы не сильно отстают от TN+Film по времени отклика, но значительно превышают характеристики последних по глубине цветов и точности их воспроизведения.