Kwalifikacja E12

Wyświetlacze typu LCD to bardzo szeroka rodzina wyświetlaczy. Po raz pierwszy zostały użyte w Angli w roku 1975. Zrewolucjonizowały one elektronikę w latach 80. Jest to odpowiedź na miniaturyzacje sprzętu, w szczególności produkcje zegarków naręcznych. Wyświetlacze dotychczas stosowane w zegarkach - wyświetlacze LED - musiały ustąpić miejsca bardzo oszczędnym wyświetlaczom opartym na nieco innej zasadzie działania. Zalety ciekłych kryształów: Jako podstawowe zalety ciekłych kryształów wymienia się: - niewielką moc pobieraną przez wskaźnik (0,1 nW/cm2) - niskie napięcie sterowania - możliwość stosowania różnego rodzaju oświetlenia - możliwość uzyskania różnobarwnych obrazów - możliwość uzyskania różnych kształtów elementu wyświetlanego Podział wyświetlaczy LCD: Ze względu na ilość wyświetlanych kolorów: - jednobarwne - dwubarwne - wielobarwne Ze względu na sposób oświetlenia: - transmisyjne - odbiciowe (refleksyjne) - transrefleksyjne (transmisyjne i równocześnie najczęściej refleksyjne). Ze względu na kształt: - segmentowe - analogowe Biorąc pod uwagę charakter pracy i jej efekty wskaźnik ciekło krystaliczny jest przełącznikiem optoelektronicznym ponieważ wszystkie z innych wyświetlaczy sterowanych bezpośrednio prądem czy napięciem wydzielają światło i można dokonywać odczytu w ciemności. Właściwości ciekłych kryształów, możliwości modyfikacji oraz wykorzystania światła spolaryzowanego doprowadziły do powstania wielu rozwiązań konstrukcyjnych dostosowanych do zróżnicowanych potrzeb użytkowników. Podstawowe właściwości wskaźników LCD: Wskaźniki LCD (ang. Liguid Crystal Display) są to wskaźniki zawierające substancje zwane ciekłymi kryształami. Są to takie substancje organiczne, które w określonym przedziale temperatury wykazują jednoczenie właściwości zarówno ciał stałych, krystalicznych (właściwości optyczne i elektryczne), jak i cieczy (płynność). Ciekłe kryształy charakteryzują się niewielkimi siłami oddziaływań między cząsteczkowych, i do ich uporządkowania są wystarczające małe siły elektrostatyczne. Strukturę ciekłego kryształu można przyrównać do dipoli umieszczonych w cieczy. W zależności od ułożenia tych dipoli wyróżnia się trzy możliwe struktury: smektyczną, nematyczną i cholesterolową. Najbardziej uporządkowaną wewnętrznie jest struktura smektyczną, składająca się ze ściśle równoległych cząsteczek, ułożonych w przylegające warstwy. W strukturze nematycznej, dipole są usytuowane równolegle, wszystkie w tym samym kierunku. Struktura cholesterolowa cechuje się równoległym ułożeniem dipoli w warstwach przesuniętych względem siebie o pewien kąt, co nadaje jej kształt śrubowy. Wskaźnik zawiera dwie płytki szklane, między którymi znajduje się cienka (ok. 10 um) warstwa ciekłego kryształu. Od ośrodka są naniesione elektrody z przezroczystego materiału. W tak cienkiej warstwie dipole są uporządkowane samoistnie i padające światło przechodzi przez wskaźnik. Pod wpływem przyłożonego pola elektrostatycznego narusza się uporządkowanie wewnętrzne dipoli, powodując wewnętrzne rozpraszanie padającego strumienia światła; wskaźnik ciekłokrystaliczny przestaje być przezroczysty. Uzyskany stopień rozproszenia (kontrast) zależy od: - temperatury, - częstotliwości przebiegu sterującego, - amplitudy napięcia sterującego, - rodzaju użytego ciekłego kryształu, - oświetlania i kierunku obserwacji. Polaryzacja komórki LCD napięciem stałym szybko niszczy właściwości samo uporządkowania cząsteczek ciekłego kryształu, z tego też powodu wskaźniki LCD steruje się napięciem zmiennym bez składowej stałej. Aby na wskaźnikach przedstawiać cyfry i liczby, wytwarza się głównie układy 7- lub 16-segmentowych wyświetlaczy. Do wyświetlania liter jest najodpowiedniejsza matryca 35-punktowa. W powyższy sposób uzyskuje się obraz czarno-biały. Za pomocą ciekłych kryształów można również uzyskać obraz kolorowy. Opracowano mieszaniny ciekłych kryształów z barwnikami o wyraźnych właściwościach dichronicznych, to znaczy takich, które w zależności od orientacji przestrzennej cząsteczek absorbują światło o różnych długościach fal, czyli dają efekt barwny. Światło przechodzące przez wyświetlacz jest w kolorze barwnika dodanego do ciekłych kryształów. Obecnie produkuje się już odpowiednie barwniki: żółte, czerwone, niebieskie, zielone i pomarańczowe, a mieszanie ich umożliwia uzyskanie barw pośrednich, do głębokiej czerni włącznie. Zastosowanie wskaników ciekłokrystalicznych jest powszechniejsze niż wskaźników cyfrowych półprzewodnikowych. Z wielopunktowych wskaźników dichromatycznych są obecnie budowane wskaźniki LCD o matrycy zbudowanej z tak wielkiej liczby punktów, że stosuje się je jako wskaźniki telewizyjne zastępujące kineskop telewizora. Wskaźniki LCD z rozproszeniem dynamicznym: Do jego budowy używa się ciekłych kryształów o strukturze smektycznej. Przy braku zewnętrznego pola elektrycznego, padające światło przechodzi w całości przez warstwę ciekłego kryształu i po odbiciu od warstwy odblaskowej powraca nie stłumione do obserwatora. Przyłożenie zewnętrznego pola elektrostatycznego o amplitudzie 10 - 50 V powoduje nieregularne przemieszczenie się dipoli ciekłego kryształu, co sprawia, że padające światło ulega silnemu rozproszeniu między elektrodami. Uzyskany kontrast wynosi wówczas 20:1. Główną wadą wskaźników LCD z rozproszeniem dynamicznym stanowi doć duży pobór mocy, wynoszący ok. 100 uW/cm2. Wskaźniki LCD z efektem polowym: Wskaźnik LCD z efektem polowym charakteryzuje się małym poborem mocy (ok. l uW/cm2). Minimalna amplituda napięcia sterującego wynosi 3 V, tak że wskaźnik można zasilać bezpośrednio ze struktury CMOS. Do budowy tego wskaźnika stosuje się ciekły kryształ o strukturze cholesterolowej. Wskaźnik na górnej i dolnej płytce ma dodatkowo dwa polaryzatory o prostopadle usytuowanych osiach polaryzacji. Przy braku sygnału sterującego, wiązka światła jest polaryzowana na górnym polaryzatorze, a potem skręcana o 90 w ciekłym krysztale. Wiązka ta przechodzi następnie przez dolny polaryzator i po odbiciu od folii odblaskowej wraca tą samą drogą do obserwatora. Wskaźnik jest więc przezroczysty. Doprowadzenie napięcia zmiennego o amplitudzie 3 - 10 V i częstotliwości 25 - 1000 Hz powoduje równoległe ustawienie dipoli ciekłego kryształu, dzięki czemu uzyskuje się rozproszenie w dolnym polaryzatorze. W wyniku tego rozproszenia kontrast wynosi ok. 40:1. Sterowanie wyświetlaczami LCD: Jedną z wad wyświetlaczy LCD jest to, iż potrzebują one skomplikowanego układu zasilającego ich elektrody. Do sterowania układami LCD służy cała gama układów scalonych serii ICL, wykonanych w technologii CMOS i zasilanych głównie napięciem 9V. Układy serii ICL często są rozbudowanymi przetwornikami A/C, gdzie napięcie lub inna wielkość przetworzona na napięcie jest transformowana na odpowiednią wielkość cyfrową widoczną na wyświetlaczu. Układy ICL to podstawa wszelkiego rodzaju termometrów, gdzie temperatura została zamieniona na odpowiednie napięcie, następnie to napięcie zostało przetworzone na wielkość cyfrową i zostało wyświetlone na wyświetlaczu.