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Pantallas LCD monocromas: cómo funcionan y dónde utilizarlas

Bienvenido a la Universidad Riverdi Este artículo trata del tipo más básico de pantallas LCD: las pantallas LCD monocromas. Le guiaremos a través de los fundamentos de la tecnología, qué hay detrás, cómo funcionan, cómo funcionan los propios píxeles, y todo esto formará la base de nuestra próxima conferencia de la Universidad Riverdi sobre el TFT (transistor de película fina). Añadiremos colores y una matriz activa en las próximas lecciones, y ahora mismo hablaremos de las pantallas LCD más sencillas y de la tecnología que hay detrás.

Entrando en detalle, hablaremos de la tecnología TN, STN y FSTN, DFSTN y HTN. Mencionaremos las pantallas LCD positivas y negativas, en qué se diferencian unas de otras. A continuación, hablaremos sobre la luz en las pantallas LCD, sobre las pantallas LCD Reflectivas, Transflectivas y Transmisivas. También hablaremos de la retroiluminación, los ángulos de visión y los colores. Incluso las pantallas LCD monocromas ofrecen diferentes colores. Por supuesto, las pantallas siguen siendo monocromas, por lo que habrá un color de fondo y otro de caracteres, pero pueden ser de distintos colores, no sólo blanco y negro.

Tecnologías de pantallas LCD monocromas

Empecemos por los fundamentos de la tecnología de las pantallas LCD. La pantalla LCD está relacionada con los cristales líquidos, y el cristal líquido es un material muy especial, que puede cambiar la polarización de la luz. El cristal líquido es realmente líquido, y se coloca entre dos láminas de vidrio, que tenemos en todas las pantallas LCD. Gracias a las propiedades especiales del cristal líquido, podemos cambiar la polarización de la luz mediante tensión eléctrica. Generamos un campo eléctrico entre estas dos láminas de cristal y, a continuación, movemos los cristales en su interior y, al mismo tiempo, cambiamos la polarización de la luz. La pantalla LCD más básica es una TN – Twisted Nematic. Es la primera y más antigua tecnología que se sigue utilizando hoy en día. Sus principios de funcionamiento son básicos. En primer lugar, necesitamos dos trozos de vidrio con cristal líquido en su interior. Entonces necesitamos electrodos. Por supuesto, los electrodos deben ser transparentes (normalmente se recubren con ITO). ITO es óxido de indio y estaño, una superficie conductora transparente especial sobre el vidrio que nos permite generar campo eléctrico entre las dos láminas de vidrio, dos electrodos. Por supuesto, no basta con cambiar la polarización de la luz para encender y apagar los píxeles y crear una pantalla LCD. En primer lugar, necesitamos tener luz polarizada, y lo que hacemos adicionalmente para obtener una pantalla real es añadir dos polarizadores, uno en la parte inferior y otro en la parte superior de la pantalla. Una vez que tenemos el polarizador, tenemos luz polarizada. Entonces, la luz se retuerce dentro de los cristales líquidos, cuando están en estado apagado. El estado OFF es cuando no se aplica tensión, la luz se está transfiriendo a través, por lo que el píxel se ilumina. Como puedes ver en la imagen superior, los polarizadores están a 90 grados entre sí. La luz atraviesa el primer polarizador, enciende el cristal líquido y sale por el otro polarizador y como efecto el píxel es visible. La verdadera magia se produce cuando aplicamos tensión. Los cristales líquidos se organizan, la polarización de la luz no cambia, y como tenemos dos polarizadores a 90 grados el uno del otro, la luz es bloqueada por el otro polarizador y el píxel no se enciende, y eso se llama estado ON. Aplicando voltaje, podemos encender y apagar el píxel y una vez que podemos hacer eso, tenemos un píxel LCD y teniendo un píxel podemos construir una matriz de píxeles y presentar cualquier imagen, así tenemos una pantalla LCD.

Lo que es especialmente importante y útil saber, es que este control no es sólo del estado OFF y ON. También podemos controlar los estados intermedios, podemos pasar del píxel blanco al negro en unas pocas etapas, lo que nos da una escala de grises. La escala puede tener 16 pasos o 256 pasos. Normalmente, lo hacemos a través de bits, por lo que será de 16 en 256 o más. Para el TFT, por ejemplo, será de millones, porque tenemos 24 bits que nos dan 16 millones de combinaciones de brillo de cada píxel. Esta tecnología nos permite tener una pantalla LCD monocroma funcionando y presentando imágenes en la escala de grises, pero normalmente las pantallas LCD monocromas no se utilizan para ese fin, porque la tecnología no es lo suficientemente perfecta. Es una tecnología pasiva, no hay transistores conectados a la propia célula y controlar el brillo con la escala de grises es realmente difícil, por lo que normalmente sólo tenemos estados ON y OFF para tener la imagen clara.

Una vez que sabemos cómo funcionan la pantalla y la célula, y sabemos que la tecnología de pantalla LCD más básica es una pantalla TN, nemática retorcida, podemos estudiar otras variantes. Hay muchos, pero el segundo más popular es STN – Super Twisted Nematic. Esta tecnología nos permite reducir la tensión para controlar la pantalla. Es especialmente útil con dispositivos alimentados por batería, y nos permite conectar la pantalla directamente a la mayoría de los microcontroladores que funcionan con 3 voltios o incluso voltajes más bajos, sin necesidad de controladores especiales. La otra ventaja muy importante es un mejor contraste: vemos la imagen más nítida. Hablamos del contraste en una de las primeras conferencias de la Universidad Riverdi – Las pantallas legibles a la luz del sol, donde puedes obtener más información valiosa al respecto. Una pantalla LCD STN puede ser más rápida que una pantalla LCD TN, lo que significa que podemos refrescarla más rápido y la imagen puede incluso moverse o ser más clara cuando cambiamos algo en la pantalla.

Otra variante de pantalla LCD monocroma se denomina FSTN o DFSTN – Film compensated Super Twisted Nematic o Double Film Super Twisted Nematic. La película es una capa adicional que se añade al cristal y que mejora la calidad de imagen de la pantalla con respecto a las pantallas LCD TN o STN normales. Al añadir la película, tenemos un mayor contraste: podemos pasar a un fondo más negro. En la imagen superior, puede ver una pantalla FSTN junto a una pantalla DFSTN. DFSTN significa dos capas FSTN y el contraste es aún mejor, como ves es más negro. Por supuesto, estas tecnologías añaden costes a la pantalla LCD. La más barata es TN, STN es un poco más cara y FSTN y DFSTN son las más caras. Estas tecnologías, aunque parezcan muy buenas, no son perfectas. Cuando cambiamos los ángulos de visión, vemos que el contraste se pierde muy rápidamente.

Este tipo de tecnología es útil sobre todo en aplicaciones en las que nos enfrentamos directamente a la pantalla. Si queremos ver la pantalla desde un ángulo, hay otras tecnologías más adecuadas, como TFT u OLED, pero las pantallas monocromáticas siguen siendo muy populares porque esta tecnología es bien conocida, está probada y es asequible. Estas pantallas LCD monocromas suelen ser las más baratas del mercado.

Otra variante son las pantallas LCD HTN, High Twisted Nematic. Esta tecnología es un poco diferente, pero similar a la STN. Se desarrolló principalmente para la industria del automóvil, y el voltaje para controlar los píxeles es incluso inferior al de las pantallas LCD STN. Pero la principal ventaja de las pantallas LCD HTN es una gama muy amplia de temperaturas de funcionamiento.

Por lo tanto, hay varias opciones diferentes cuando elegimos una pantalla LCD monocromática basada en TN, ya sea STN y FSTN, HTN y otras tecnologías. Siempre depende del tipo de aplicación, el entorno, la temperatura y el tipo de luz y colores que necesitemos.

Pantallas LCD positivas y negativas

¿Qué son las manifestaciones positivas y negativas? Significa el estado activo del píxel. Tal como se presenta en la imagen anterior, lo que vemos es un píxel y un fondo. Una pantalla positiva es la más sencilla, es como una calculadora. Lo que vemos como fondo, es sólo la pantalla LCD en el estado normal; podemos ver el tipo de color claro del fondo de la luz de fondo. En el ejemplo de la imagen de arriba hay un fondo amarillo verdoso, que es la retroiluminación más común para las pantallas STN, y los píxeles son negros.

En una pantalla LCD negativa se da la situación contraria. Normalmente, la luz está bloqueada. El fondo en nuestro ejemplo es azul, porque es una propiedad de la pantalla STN, que cuando ponemos la luz blanca debajo de ella y hacemos un color negativo, el color natural de la de la pantalla LCD se convertirá en azul; pero cuando los píxeles no están bloqueando la luz, vemos píxeles blancos. Por lo tanto, la luz de fondo allí es blanca, y no se bloquea donde tenemos los píxeles.

¿Cuál es la aplicación de las pantallas positivas y negativas? Las pantallas LCD positivas las solemos utilizar cuando tenemos unas condiciones ambientales de luz estables, y no necesitamos retroiluminación. En una pantalla LCD positiva es posible apagar la retroiluminación y seguir viendo la imagen. Por ejemplo, podemos utilizarlas en una calculadora, donde no necesitamos retroiluminación, porque es una pantalla reflectante o transflectiva. En una pantalla LCD negativa siempre necesitamos la retroiluminación. Así que, cuando elijas la pantalla y pienses cuál te gustaría en tu aplicación, piensa en el consumo de energía. Si tienes un dispositivo alimentado por batería, entonces la pantalla positiva será probablemente una mejor solución, ya que te permitirá apagar la luz de fondo, que es el principal drenaje de corriente, el lugar donde necesitamos poner la mayor cantidad de energía. En las pantallas LCD negativas, la retroiluminación debe estar siempre encendida, no se puede apagar. Si apagamos la retroiluminación de una pantalla negativa, no veremos nada, por lo que no es la opción más adecuada para dispositivos alimentados por batería.

Pantallas LCD transmisivas

Veamos ahora tres tecnologías diferentes utilizadas en las pantallas monocromas, cómo se transmite la luz y cómo vemos la imagen. La pantalla más estándar y común es la pantalla LCD transmisiva, en la que tenemos transmisión de la luz de la retroiluminación a través de la pantalla LCD, el polarizador, el cristal LCD, el segundo polarizador, los electrodos y la superficie de la pantalla (parte negra en la imagen). Las pantallas LCD transmisivas pueden ser negativas o positivas, pero la retroiluminación de una pantalla LCD transmisiva debe estar siempre encendida.

Pantallas LCD reflectantes

El siguiente tipo de pantalla, también bastante sencillo, es la pantalla LCD reflectante. En el ejemplo más básico, este tipo de pantalla no tiene retroiluminación. El ejemplo podría ser, de nuevo, una calculadora, en la que normalmente no tenemos retroiluminación y sólo utilizamos la luz ambiental, que se refleja. La luz ambiental externa pasa a través de la pantalla LCD y luego se refleja en el espejo que está en la parte posterior de la pantalla y regresa. Una variación de la pantalla LCD reflectante podría ser una pantalla reflectante con una luz frontal. La luz frontal nos da la luz añadida que se refleja en el espejo de la parte posterior de la pantalla.

Pantallas LCD transflectivas

El tercer tipo de pantalla LCD es la pantalla LCD transflectiva. Es una combinación de la pantalla LCD transmisiva y la pantalla LCD reflectante. Utiliza ambos fenómenos: uno utiliza la reflexión y el otro la transmisión de la luz. En las pantallas LCD transflectivas necesitamos un semiespejo. El semiespejo es un tipo de espejo que refleja la mitad de la luz y es transparente a otra mitad de la luz.

En este tipo de pantalla podemos utilizar luz externa para que se refleje y entonces podemos apagar la retroiluminación, pero durante la noche cuando no tenemos luz externa podemos encender la retroiluminación y entonces podemos volver a ver la pantalla. Este tipo de pantallas son las más comunes en las pantallas LCD monocromas. Necesitan ser positivas, igual que las pantallas LCD reflectantes para conseguir el reflejo, pero como no necesitamos la retroiluminación durante el día, podemos ahorrar mucha energía.

Tipos de retroiluminación de las pantallas LCD

Ahora hablaremos de los tipos de retroiluminación. Básicamente, para las pantallas monocromas tenemos dos tipos de retroiluminación. La más popular ahora mismo es la retroiluminación Edge Light. Tenemos los LED sólo en el borde de la pantalla, y tenemos un difusor de luz. Los LED están en el borde de este difusor, y bombean la luz al interior del difusor, luego la luz es reflejada por los espejos y sale a través de la superficie LCD. Ahora mismo, ésta es la forma más común y barata de construir la retroiluminación de forma muy eficiente, ya que hoy en día los LED son muy eficientes en consumo de energía y generación de luz.

La otra tecnología, más madura, utiliza los LED de retroiluminación en toda la superficie de la pantalla LCD. Esta tecnología es más cara, necesitamos una gran PCB o FPC para poner LEDs detrás del LCD y muchos LEDs para tener la luz, por lo que no se utiliza para pantallas LCD monocromáticas, pero a veces se utiliza para TFTs, para una función llamada Local Dimming.

Ángulos de visión de las pantallas LCD

El siguiente punto clave es el ángulo de visión. En el caso de la tecnología LCD, es importante entender que la imagen que vemos cuando miramos de frente a una pantalla puede ser completamente distinta de la que vemos desde un ángulo. Esto suele estar muy bien descrito en la ficha técnica de la pantalla. Los ángulos de visión más habituales son de 50, 60 o 70 grados. En las mejores pantallas TFT, los ángulos de visión pueden ser incluso de 89 grados.

En el caso de las pantallas LCD monocromas, las cifras suelen ser más bajas y el ángulo de visión es el ángulo máximo en el que el usuario puede ver una imagen nítida en la pantalla. Por lo tanto, es una definición bastante simple, pero normalmente se mide con una cámara, por lo que medimos el contraste real. Lo que es muy importante recordar, es que, cuando estamos demasiado lejos con el ángulo, no veremos una imagen clara en la pantalla LCD o podríamos no ver la imagen en absoluto.

Colores en pantallas LCD monocromas

Como se mencionó al principio, también tenemos colores para monocromo

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Pantallas LCD. Por supuesto, sólo hay un color para la luz de fondo y un color para los caracteres, pero como se puede ver aquí en la imagen de arriba, podría haber muchos colores de luces de fondo. Podemos tener una retroiluminación blanca, naranja, verde, azul o de cualquier color.

No se adapta a todas las tecnologías de pantalla, positivas y negativas, pero como se puede ver en la imagen de arriba, hay un gran número de combinaciones de diferentes tecnologías, positivas, negativas, STN, FSTN o tecnología VA (Alineación Vertical), una tecnología un poco diferente, lo que nos permite tener amplios ángulos de visión, y diferentes colores de retroiluminación. Por lo tanto, podemos tener un montón de diferentes variaciones que se pueden utilizar para construir cada aplicación.

Pantallas LCD de caracteres y pantallas LCD gráficas

La última parte de este artículo trata sobre las pantallas gráficas y las pantallas de caracteres, la diferencia entre ellas y cómo influye en el coste de una pantalla LCD. Las pantallas LCD más básicas son las pantallas LCD monocromas segmentadas o pantallas de iconos. En este tipo de pantallas LCD sólo tenemos algunos iconos y caracteres, pero se definen cuando se está produciendo la pantalla. Lo que vemos en la pantalla está definido y no podemos tener otra cosa, la otra zona está completamente apagada. Sólo se pueden encender y apagar los segmentos de la pantalla. Es la tecnología más barata de producir y se realiza por máscara durante la fabricación, por lo que suele reservarse para aplicaciones de gran volumen, que están muy bien definidas durante la fase de producción. Por ejemplo, puede ser una especie de reloj, calculadora o controlador de temperatura. La ventaja es el coste, pero el inconveniente es que luego no podemos cambiar nada, no podemos cambiar el software y añadir otro icono.

Pantallas LCD monocromas de caracteres

Otro tipo de pantalla es la gráfica. Así pues, tenemos visualizadores de caracteres y un visualizador totalmente gráfico. El visualizador de caracteres es también una tecnología muy popular, y es una combinación entre un visualizador de segmentos y el visualizador gráfico porque tenemos los campos, que están definidos, y pueden mostrar sólo los caracteres, letras, números, símbolos y algunos caracteres añadidos definidos por el controlador de un visualizador. En este tipo de pantalla, no podemos poner el gráfico completo, porque cada personaje está físicamente separado del otro.

Pantallas LCD monocromas totalmente gráficas

A continuación, tenemos la pantalla totalmente gráfica. En este tipo de pantalla LCD tenemos una matriz de píxeles. Puede ser de 64 por 256, o de 64 por 128 píxeles, así que en este tipo de pantalla podemos mostrar casi todas las imágenes, porque podemos encender y apagar cada píxel. Podemos mostrar letras, caracteres, imágenes, pequeñas, grandes, lo que queramos. La desventaja es el gran número de píxeles que hay que conectar. El controlador y el cristal son complicados, porque tenemos que dirigir los cables de cada píxel fuera del cristal y conectarlo al controlador. Por lo tanto, en la familia de pantallas LCD monocromas, este tipo de pantalla es la más cara. Otro tipo de pantallas son más baratas, no sólo porque el cristal es sencillo, sino porque los controladores también lo son.

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