Режимы отображения ЖКИ

Режимы отображения ЖКИ определяют то, как индикатор управляет светом для создания изображения. Чтобы выбрать оптимальный режим для конкретного приложения необходимо рассмотреть типичные условия освещения индикатора (см. таблицу 1).

Таблица 1. Режимы отображения ЖКИ

Рефлективные (работающие на отражение) индикаторы
Обычно рефлективные ЖКИ используют режим отображения с темными символами на светлом фоне (так называемое позитивное изображение).
В индикаторе с позитивным изображением передний и задний поляризаторы находятся в противофазе, или перекрестно поляризованы на 90°.
Если сегмент "выключен", внешний свет идет по слелующему пути: проходит через вертикальный поляризатор, через прозрачный электрод сегмента, через ЖК молекулы которые скручивают его на 90 °, через прозрачный общий электрод, через горизонтальный поляризатор, и попадает на рефлектор, который посылает свет обратно по тому же пути (рис. 5а).

Рис. 5а. Рефлективный индикатор в выключенном состоянии.
Свет проходит через горизонтальный поляризатор и отражается обратно.

Если сегмент "включен", внешний свет не изменяет своей поляризации при проходе через слой жидких кристаллов. Таким образом поляризация света противоположна заднему поляризатору, что не дает свету пройти к отражателю. Так как свет не отражается, получается темный сегмент (рис. 5б).

Рис. 5б. Во включенном состоянии свет находится в противофазе
с горизонтальным поляризатором, так что он не доходит до рефлектора.

Рефлективные индикаторы очень яркие, с отличным контрастом и имеют широкий угол обзора. Они требуют хорошего внешнего освещения и не исползуют искуственной задней подсветки (хотя в некоторых моделях применяют подсветку сверху). Благодаря малым токам потребления рефлективные индикаторы часто используются в устройствах с питанием от батареек.

Трансмиссивные (работающие на пропускание) индикаторы
Трансмиссивные ЖКИ не отражают свет. Напротив, они создают изображение, управляя светом искуственного источника освещения, расположенного позади индикатора.
В трансмиссивных индикаторах передний и задний поляризаторы находятся "в фазе" друг с другом (параллельны). В выключенным сегменте поляризованый свет подсветки скручивается на 90° молекулами ЖК и оказывается в противофазе с передним поляризатором. Поляризатор блокирует свет, создавая темный сегмент.

Рис. 6а. В выключенном состоянии свет не проходит
сквозь трансмиссивный дисплей.

Если сегмент включен, свет не скручивается, оказываясь в фазе с передним поляризатором, и проходит через него, создавая световой рисунок. Таким образом трансмиссивный дисплей создает светлое изображение на темном фоне (негативное изображение).

Рис. 6б. Во включенном состоянии свет находится в противофазе
с горизонтальным поляризатором, та что он не доходит до рефлектора.

Трансмиссивные индикаторы должны иметь заднюю подсветку, чтобы гарантировать равномерное свечение сегментов. Они хороши для использования в условиях приглушенного или слабого освещения. В условиях прямого солнечного света подсветка не может преодолеть солнечных лучей и изображение не заметно.

Трансрефлективные (работающие на пропускание и отражение) индикаторы
Трансрефлективные индикаторы используют белый или серебрянный полупрозрачный материал, который отражает часть внешнего света, а также пропускает свет задней подсветки. Поскольку эти индикаторы как отражают, так и пропускают свет, они могут использоваться в широком диапазоне яркостей освещения. Примером могут служить индикаторы мобильных телефонов - они читаемы как при ярком свете, так и в полной темноте. Трансфлективные дисплеи имеют более низкую контрастность по сравнению с рефлективными, так как часть света проходит сквозь отражатель.

Варианты подсветки (backlight)
Ниже представлены варианты подсветки ЖКИ.

Рис. 7.

Таблица 2. Сравнение методов подсветки

Условия применения и хранения ЖКИ

Температура использования и хранения
Анализ температурного диапазона очень важен при описании ЖКИ.
Все ЖК материалы имеют строго определенный верхний предел рабочей температуры, или изотропический предел. Выше этого предела молекулы ЖК принимают произвольную ориентацию. Изотропические условия делают позитивное изображение полностью темным, а негативное - прозрачным. Изотропическая температура называется температурой нематическо-изотропического перехода, илиN-I перехода.
ЖКИ могут восстанавливаться после короткого воздействия изотропической температуры, хотя температуры свыше 110°C разрушают внутреннее покрытие индикатора.
Нижний предел температурного диапазона ЖКИ не так хорошо определен, как верхний. При низких температурах время срабатывания индикатора увеличивается, так как замедляется движение молекул и возрастает вязкозть ЖК вещества.
При очень низких температурах ЖК вещество переходит в твердое, или кристаллическое состояние. Эта температура называется температурой кристаллическо-нематического перехода, или C-N перехода.Однако ЖК материал "суперхолодный", воспринимает температуры ниже C-N предела, фактически поворачивая кристаллы вещества. (Обычно при воздействиях до -60°C). В результате ЖКИ часто работоспособны при температурах ниже их C-N перехода.
Эффект низких температур обычно обратим. К примеру, ЖКИ опущенный в жидкий азот возвращается в нормальное состояние после короткого периода нагрева.
В добавление, ЖК материалы имеют низкий температурный коэффициент. Этот коэффициент важен для мультиплексных индикаторов по причине низкого значения действущего напряжения управления. За пределами температурного диапазона может потребоваться температурная компенсация.

Нагреватели
Индикаторы с интегральными нагревателями могут работать при температурах до -55°C. Нагреватели требуют температурно-управляемого источника питания. При использовании нагревателями время отклика индикатора при низких температурах остается таким же, как и при 0°C. Увеличение мощности нагревателя уменьшает время нагрева. Обычно требуется мощность между 2 и 3 ваттами на квадратный дюйм поверхности индикатора.

Внешнее освещение
Как уже обсуждалось, яркость внешнего освещения индикатора очень важна. Выбор типа индикатора осуществляется именно исходя из условий внешнего освещения.

Внешние воздействия
Существует множество модификаций ЖКИ, стойких к различного рода внешним воздействиям, так как этого требуют военные стандарты. К примеру существует "высокостабильное" покрытие для защиты от высокой температуры и влажности. Покрытие - "барьер" препятствует загрязнению проводящими веществами, могущими вызвать короткое замыкание в индикаторе. Тонкопленочные нагреватели могут использоваться в низкотемпературных приложениях. Правильный выбор соединителя также помогает преодолеть внешние воздействия.

Индикация ЖКИ

Угол и направление обзора

Рис. 8. Конус обзора описывает область,
в пределах которой наблюдатель может прочитать информацию на дисплее.

При выборе ЖКИ следует определить как наблюдатель будет смотреть на индикатор: Будет ли он сидеть или стоять? Под каким углом расположен дисплей? Какая требуется ширина угла обзора? Дело в том, что контрастность изображения на индикаторе зависит от относительного расположения дисплея и наблюдателя.
Обычно направление зрения описывается аналогично циферблату часов. Если наблюдатель смотрит сверху, это называется 12 часов, снизу - 6 часов, справа - 3 часа, слева - 9 часов. Критические углы зрения (наклона индикатора) зависят от направления обзора и могут быть проиллюстрированы изоконтрастными кривыми на графике в полярной системе координат (рис. 9).
Угол обзора зависит также от толщины слоя ЖК. Большинство ЖКИ изготавливаются по второму классу с толщиной от 6 до 8 микрон. Первый класс имеет толщину от 3 до 4 микрон. Наиболее широкий угол обзора (до165°) достигается при 4-х микронной технологии. При этом также уменьшается время отклика (срабатывания) ЖКИ.

Рис. 9. Изоконтрастная кривая ЖКИ.
Объективное измерение контрастности изображения под разными углами.

Контраст изображения
Контрастность главным образом определяется условиями внешнего освещения и правильностью выбора позитивного или негативного изображения. При повышении действующего среднеквадратического напряжения контрастность увеличиваетвя. Эффективность поляризатора и ЖК жидкости также способствуют лучшей контрастности.

Сегменты ЖКИ
Части ЖКИ, работающие как заслонки, включаясь и выключаясь для формирования изображений, называются сегментами.
Сегменты создаются прозрачными электродами из оксидов индия и олова, нанесенными на стекло ЖКИ. Цифры от 0 до 9 и некоторые буквы могут быть отображены на семисегментном индикаторе. Шестнадцатисегментный индикатор может отобразить цифры, все латинские и почти все русские буквы (кроме Й,Ц,Щ). Для того чтобы символы были менее угловатыми и более натуральными, используют матричные индикаторы. С их помощью можно также отображать небольшие изображения. Количество сегментов индикатора влияет на метод управления им.

Рис. 10. Семисегментный дисплей,
шестнадцатисегментный дисплей
матричный дисплей 5х7

В добавление к алфавитно-цифовым символам, ЖКИ может отображать небольшие картинки, или иконки. К примеру дисплей на рис.11 отображает функции копира. Эти изображения не изменяются - они могут только вкючатся или отключатся.

Рис. 11. Функциональный дисплей копировального аппарата.

Время срабатывания
ЖКИ обычно имеет время срабатывания 50 мс при 20°C, а лучшие модели - до 10 мс. Стандартный ЖКИ может отображать сигнал до 10 Гц, если требуется; невооруженным глазом тяжело отследить данные с такой частотой.

Цветные изображения
Существует несколько методов создать цветное изображение в ЖКИ (таблица 3).

Таблица 3. Цвет в ЖКИ

Способы присоединения ЖКИ

Двухрядное расположение выводов (Dual-In-Line, DIL)
Двухрядное расположение выводов удобно для использования в суровых условиях. DIL обеспечивает быструю, ровную установку индикатора. Выводы могут быть впаяны в печатную плату или вставлены в разъем. Эти хорошо проводящие, нержавеющие выводы обеспечивают жесткое крепление, даже при ударе или вибрации.

Рис. 12. DIL выводы

Резиновый соединитель (Elastomeric, rubber connector)
Резиновый проводник представляет из себя гибкий резиновый брусочек с большим количеством поперечных проводящих прожилок (как гребенка) с очень малым шагом. Он обеспечивает быстрый монтаж / демонтаж без паянных соединений или абразивных контактов, самовыравнивание. Это соединение часто используется в небольших инструментах, где размер ограничен. Хотя оно стойко к ударам и вибрациям, резиновое соединение не стоит применять в особо арессивных средах без повышенного внимания к защите ЖКИ.

Рис. 13. Резиновый соединитель

Гибкий соединитель (Flex, heat seal connector)
Как печатная плата, так и ЖКИ присоединяются к гибкому шлейфу посредством нагревания под давлением. Это соединение используется в наиболее подвижных устройствах, где смещения могут вызвать поломку жестких выводов. Гибкое соединение часто используется в очень больших ЖКИ или устройствах требующих отдельную установку платы контроллера. Популярность этого метода соединения растет и разработчики находят ему все новые применения.

Рис. 14. Гибкое соединение

Контроллеры ЖКИ

Общие принципы
Существует два типа контроллеров ЖКИ: прямой и мультиплексный. Оба типа имеют свои преимущества и недостатки.

Таблица 4. Сравнение прямых и мультиплексных контроллеров

Прямое управление
Прямое (статическое,симплексное) управление означает, что каждый сегмент ЖКИ имеет независимое соединение с контроллером. ЖКИ с прямым управлением имеют высокий контраст и широкий температурный диапазон. Они обычно используются для уличных устройств (колонки АЗС, часы).
Симплексные контроллеры обычно создают управляющее напряжение частотой от 30 до 60 Гц. Частоты менее 30 Гц вызывают мерцание дисплея, а выше 60 Гц требуют черезмерного тока управления. Это важный параметр, особенно для устройств, работающих от батареек. Если ЖКИ превышает предельные частоты и напряжения, выключенные сегменты могут случайно подсвечиваться. Такая частичная активация сегментов называется паразитной помехой.
При увеличении числа сегментов, количество независимых соединений и схем управления растет.

Мультиплексное управление
Мультиплексное (MUX) управление уменьшает количество необходимых выводов ЖКИ. Мультиплексные дисплеи имеют более одного общего вывода (COM). Мультиплексность означает, что каждый вывод сегментов (SEG) адресует сегмент на каждом из выводов COM. Количество общих выводов называется значением мультиплексности ЖКИ.

Рис. 15. Вариант организации выводов COM и SEG

Сегменты мультиплексного индикатора сгруппированы в матрицу. Контроллер создает разноамплитудные, синхронизированные по времени сигналы для строки и столбца, адресуя конкретный сегмент.
Поскольку в мультиплексных ЖКИ напряжение приложено к выключенным сегментам, разработчику следует минимизировать напряжения, могущие вызвать паразитные помехи. Уровни смещения напряжения используются для деления напряжения, уменьшая вероятность помех. К примеру контроллер со смещением 1/3 разделен на три уровня: Vdd, 2/3Vdd и 1/3Vdd.
Контраст сегмента зависит от действующего напряжения COM минус сигнал на SEG в текущей ячейке матрицы. Форма сигнала, а значит и действующее напяжение может быть как выше напряжения включения (Voff), так и ниже напяжения визуального предела (Von). Напряжения могут быть настроены для оптимального контраста сегмента.
Производители микросхем выбирают уровни смещения и форму сигнала, которые оптимизируют характеристики ЖКИ. Конечный пользователь может настроить уровни напряжения для подбора свойств ЖК ячейки, изменяя сопротивления внешнего делителя.
При увеличении мультиплексности отношение Von/Voff стремится к единице, по причине корреляции свойств сигналов драйвера. Максимально возможная мультиплексность в конечном счете остается на усмотрение конечного пользователя, но при увеличении мультиплексности уменьшаются контраст сегмента, угол обзора, температурный диапазон.

Энергопотребление
Обычно ЖКИ требует очень небольшой энергии для работы - от 5 до 25 мкА при 5 В (на кв. дюйм) для TN индикатора. Искуственная подсветка или нагрев требуют дополнительной энергии.
Все ЖКИ тебуют чистого переменного управляющего напряжения. Случайное постоянное напряжение, как например постоянная составляющая в сигнале, может значительно уменьшить срок службы индикатора и должно быть ограниченно 50 мВ.