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Écrans LCD monochromes – comment ils fonctionnent et où les utiliser

Bienvenue à l’Université Riverdi ! Cet article traite du type d’écran LCD le plus simple, à savoir les écrans LCD monochromes. Nous vous guiderons à travers les bases de la technologie, ce qui se cache derrière, comment ils fonctionnent, comment les pixels eux-mêmes fonctionnent, et tout cela formera la base de notre prochaine conférence de l’Université Riverdi sur le TFT (Thin Film Transistor). Nous ajouterons des couleurs et une matrice active dans les prochaines leçons. Pour l’instant, nous parlerons des écrans LCD les plus simples et de la technologie qui les sous-tend.

Dans le détail, nous parlerons des technologies TN, STN et FSTN, DFSTN et HTN. Nous mentionnerons les écrans LCD positifs et négatifs, ainsi que leurs différences. Ensuite, nous parlerons de la lumière dans les écrans LCD, des écrans LCD réfléchissants, transflectifs et transmissifs. Nous parlerons également du rétroéclairage, des angles de vision et des couleurs. Même les écrans LCD monochromes offrent des couleurs différentes. Bien sûr, les écrans sont toujours monochromes, il y aura donc une couleur d’arrière-plan et une couleur de caractère, mais elles peuvent être de couleurs différentes, et pas seulement en noir et blanc.

Technologies des écrans LCD monochromes

Commençons par les bases de la technologie des écrans LCD. L’écran LCD est lié aux cristaux liquides, et le cristal liquide est un matériau très spécial, capable de modifier la polarisation de la lumière. Les cristaux liquides sont vraiment liquides et sont placés entre deux feuilles de verre, comme c’est le cas pour tous les écrans LCD. Grâce aux propriétés particulières des cristaux liquides, nous pouvons modifier la polarisation de la lumière à l’aide d’une tension électrique. Nous générons un champ électrique entre ces deux feuilles de verre, puis nous déplaçons les cristaux à l’intérieur, tout en modifiant la polarisation de la lumière. L’écran LCD le plus simple est un TN (Twisted Nematic). C’est la première et la plus ancienne technologie encore utilisée de nos jours. Ses principes de fonctionnement sont basiques. Tout d’abord, nous avons besoin de deux morceaux de verre avec des cristaux liquides à l’intérieur. Ensuite, nous avons besoin d’électrodes. Bien entendu, les électrodes doivent être transparentes (généralement grâce à une couche d’ITO sur le verre). L’ITO est l’oxyde d’indium et d’étain, une surface conductrice transparente spéciale sur le verre qui nous permet de générer un champ électrique entre les deux feuilles de verre, les deux électrodes. Bien entendu, il ne suffit pas de modifier la polarisation de la lumière pour activer et désactiver les pixels et créer un écran LCD. Tout d’abord, nous avons besoin d’une lumière polarisée, et pour obtenir un affichage réel, nous ajoutons deux polariseurs, l’un en bas et l’autre en haut de l’écran. Une fois le polariseur en place, la lumière est polarisée. La lumière est alors tordue à l’intérieur des cristaux liquides lorsqu’ils sont éteints. L’état OFF correspond à l’absence de tension, la lumière est transférée et le pixel s’allume. Comme vous pouvez le voir sur l’image ci-dessus, les polariseurs sont à 90 degrés l’un de l’autre. La lumière traverse le premier polariseur, allume le cristal liquide et ressort par l’autre polariseur, ce qui a pour effet de rendre le pixel visible. La véritable magie se produit lorsque nous appliquons la tension. Les cristaux liquides s’organisent, la polarisation de la lumière n’est pas modifiée, et comme nous avons deux polariseurs à 90 degrés l’un de l’autre, la lumière est bloquée par l’autre polariseur et le pixel n’est pas allumé, c’est ce qu’on appelle l’état ON. En appliquant une tension, nous pouvons allumer et éteindre le pixel et une fois que nous pouvons le faire, nous avons un pixel LCD et avec un pixel, nous pouvons construire une matrice de pixels et présenter n’importe quelle image, nous avons donc un écran LCD.

Ce qui est particulièrement important et utile à savoir, c’est que ce contrôle ne concerne pas seulement les états OFF et ON. Nous pouvons également contrôler les états intermédiaires, nous pouvons passer du pixel blanc au pixel noir en quelques étapes, ce qui nous donne une échelle de gris. L’échelle peut avoir une longueur de 16 ou 256 pas. Habituellement, nous procédons par bits, de sorte que le nombre de bits est de 16 sur 256 ou plus. Pour le TFT, par exemple, il s’agit de millions, car nous disposons de 24 bits, ce qui nous donne 16 millions de combinaisons pour la luminosité de chaque pixel. Cette technologie nous permet d’avoir un écran LCD monochrome fonctionnant et présentant des images en niveaux de gris, mais généralement les écrans LCD monochromes ne sont pas utilisés à cette fin, parce que la technologie n’est pas assez parfaite. Il s’agit d’une technologie passive, il n’y a pas de transistors connectés à la cellule elle-même et le contrôle de la luminosité avec l’échelle de gris est vraiment difficile, de sorte que nous n’avons généralement que des états ON et OFF pour obtenir une image claire.

Une fois que nous connaissons le fonctionnement de l’écran et de la cellule, et que nous savons que la technologie d’affichage LCD la plus élémentaire est un écran nématique torsadé (TN), nous pouvons nous pencher sur d’autres variantes. Il en existe de nombreux, mais le deuxième plus populaire est le STN – Super Twisted Nematic. Cette technologie nous permet de réduire la tension pour contrôler l’affichage. Il est particulièrement utile pour les appareils alimentés par batterie et permet de connecter l’écran directement à la plupart des microcontrôleurs fonctionnant à 3 volts ou même à des tensions inférieures, sans pilote spécial. L’autre avantage très important est un meilleur contraste – l’image est plus claire. Nous avons parlé du contraste dans l’une des conférences précédentes de l’Université Riverdi – Les écrans lisibles à la lumière du soleil, où vous pouvez obtenir de plus amples informations à ce sujet. Un écran LCD STN peut être plus rapide qu’un écran LCD TN, ce qui signifie qu’il peut être rafraîchi plus rapidement et que l’image peut même bouger ou être plus claire lorsque l’on modifie quelque chose sur l’écran.

Une autre variante d’écran LCD monochrome est appelée FSTN ou DFSTN – Film compensated Super Twisted Nematic ou Double Film Super Twisted Nematic. Le film est une couche supplémentaire que nous ajoutons au verre et qui améliore la qualité de l’image de l’écran par rapport à un écran LCD TN ou STN classique. En ajoutant le film, nous obtenons un contraste plus élevé – nous pouvons passer à un arrière-plan plus noir. Sur l’image ci-dessus, vous pouvez voir un écran FSTN à côté d’un écran DFSTN. DFSTN signifie deux couches FSTN et le contraste est encore meilleur, comme vous le voyez, il est plus noir. Ces technologies augmentent évidemment le coût de l’écran LCD. Le moins cher est le TN, le STN est un peu plus cher et le FSTN et le DFSTN sont les plus chers. Ces technologies, même si elles semblent très bonnes, ne sont pas parfaites. Lorsque nous changeons d’angle de vue, nous constatons que le contraste disparaît très rapidement.

Ce type de technologie est surtout utile dans les applications où l’on se trouve directement face à l’écran. Si l’on veut voir l’écran sous un certain angle, il existe d’autres technologies plus adaptées, comme le TFT ou l’OLED, mais les écrans monochromes restent très populaires car cette technologie est bien connue, éprouvée et abordable. Ces écrans LCD monochromes sont généralement les moins chers du marché.

Les écrans LCD HTN (High Twisted Nematic) constituent une autre variante. Cette technologie est un peu différente, mais similaire à la STN. Il a été développé principalement pour l’industrie automobile, et la tension pour contrôler les pixels est encore plus faible que pour les écrans LCD STN. Mais le principal avantage des écrans LCD HTN est une très large gamme de températures de fonctionnement.

Il existe donc plusieurs options différentes lorsque nous choisissons un écran LCD monochromatique à base de TN, soit STN et FSTN, HTN et d’autres technologies. Cela dépend toujours du type d’application, de l’environnement, de la température et du type de lumière et de couleurs dont nous avons besoin.

Afficheurs LCD positifs et négatifs

Qu’est-ce qu’un affichage positif ou négatif ? Il s’agit de l’état actif du pixel. Comme le montre l’image ci-dessus, ce que l’on voit est un pixel et un arrière-plan. L’affichage positif est le plus simple, c’est comme une calculatrice. Ce que l’on voit en arrière-plan n’est que l’écran LCD dans son état normal ; on peut voir la couleur claire de l’arrière-plan grâce au rétroéclairage. Dans l’exemple de l’image ci-dessus, il y a un fond jaune vert, qui est le rétroéclairage le plus courant pour les écrans STN, et les pixels sont noirs.

Dans le cas d’un écran LCD négatif, la situation est inverse. La lumière est normalement bloquée. Dans notre exemple, l’arrière-plan est bleu, car c’est une propriété de l’écran STN : lorsque l’on place la lumière blanche sous l’écran et que l’on obtient une couleur négative, la couleur naturelle de l’écran LCD devient bleue ; mais lorsque les pixels ne bloquent pas la lumière, on voit des pixels blancs. Le rétroéclairage est donc blanc et n’est pas bloqué à l’endroit où se trouvent les pixels.

Quelle est l’application des affichages positifs et négatifs ? Les écrans LCD positifs sont généralement utilisés lorsque l’environnement lumineux est stable et qu’il n’est pas nécessaire d’avoir un rétroéclairage. Sur un écran LCD positif, il est possible d’éteindre le rétroéclairage et de continuer à voir l’image. Par exemple, nous pouvons les utiliser dans une calculatrice, où nous n’avons pas besoin de rétroéclairage, car il s’agit d’un écran réfléchissant ou transflectif. Dans un écran LCD négatif, nous avons toujours besoin du rétroéclairage. Par conséquent, lorsque vous choisissez l’écran, et que vous réfléchissez à celui que vous souhaitez utiliser dans votre application, pensez à la consommation d’énergie. Si votre appareil est alimenté par une batterie, l’affichage positif sera probablement une meilleure solution, car il vous permettra d’éteindre le rétroéclairage, qui est le principal consommateur de courant, l’endroit où nous avons besoin de mettre le plus d’énergie. Pour les écrans LCD négatifs, il faut que le rétroéclairage soit toujours allumé, il n’est pas possible de l’éteindre. Si nous éteignons le rétroéclairage d’un écran négatif, nous ne verrons rien, ce n’est donc pas le bon choix pour les appareils alimentés par batterie.

Écrans LCD transmissifs

Examinons maintenant trois technologies différentes utilisées dans les écrans monochromes, la façon dont la lumière est transmise et la façon dont nous voyons l’image. L’écran le plus standard et le plus courant est l’écran LCD transmissif, où la lumière du rétroéclairage est transmise à travers l’écran LCD, le polariseur, le verre LCD, le second polariseur, les électrodes et la surface de l’écran (partie noire sur l’image). Les écrans LCD transmissifs peuvent être négatifs ou positifs, mais le rétroéclairage d’un écran LCD transmissif doit toujours être allumé.

Écrans LCD réfléchissants

Le type d’affichage suivant, également très simple, est l’affichage LCD réfléchissant. Dans l’exemple le plus simple, ce type d’écran n’a pas de rétroéclairage du tout. L’exemple pourrait être celui d’une calculatrice, où il n’y a généralement pas de rétroéclairage et où l’on utilise simplement la lumière ambiante, qui est réfléchie. La lumière environnementale externe traverse l’écran LCD, se reflète sur le miroir situé à l’arrière de l’écran et repart. Une variante de l’écran LCD réfléchissant pourrait être un écran réfléchissant avec un éclairage frontal. La lumière frontale nous donne la lumière supplémentaire qui est réfléchie sur le miroir à l’arrière de l’écran.

Écrans LCD transflectifs

Le troisième type d’écran LCD est l’écran LCD transflectif. Il s’agit d’une combinaison de l’écran LCD transmissif et de l’écran LCD réfléchissant. Il utilise les deux phénomènes, l’un par réflexion et l’autre par transmission de la lumière. Dans les écrans LCD transflectifs, nous avons besoin d’un semi-miroir. Le demi-miroir est un type de miroir qui réfléchit la moitié de la lumière et qui est transparent pour une autre moitié de la lumière.

Dans ce type d’écran, la lumière externe peut être réfléchie, puis le rétroéclairage peut être éteint, mais pendant la nuit, lorsque nous n’avons pas de lumière externe, nous pouvons allumer le rétroéclairage et voir à nouveau l’écran. Ce type d’affichage est le plus courant dans les écrans LCD monochromes. Ils doivent être positifs, tout comme les écrans LCD réfléchissants pour obtenir la réflexion, mais comme nous n’avons pas besoin du rétroéclairage pendant la journée, nous pouvons économiser beaucoup d’énergie.

Types de rétroéclairage des écrans LCD

Nous allons maintenant parler des types de rétroéclairage. En principe, pour les écrans monochromes, il existe deux types de rétroéclairage. Le plus populaire à l’heure actuelle est le rétroéclairage Edge Light. Les diodes électroluminescentes se trouvent uniquement sur le bord de l’écran et nous avons un diffuseur de lumière. Les DEL se trouvent sur le bord de ce diffuseur et pompent la lumière à l’intérieur du diffuseur, puis la lumière est réfléchie par les miroirs et sort par la surface LCD. À l’heure actuelle, il s’agit de la méthode la plus courante et la moins chère pour construire le rétroéclairage de manière très efficace, car les LED sont aujourd’hui très efficaces en termes de consommation d’énergie et de production de lumière.

L’autre technologie, plus mature, utilise les DEL de rétroéclairage sur toute la surface de l’écran LCD. Cette technologie est plus coûteuse, car il faut un grand circuit imprimé ou un circuit imprimé de type FPC pour placer les DEL derrière l’écran LCD et de nombreuses DEL pour obtenir la lumière. Elle n’est donc pas utilisée pour les écrans LCD monochromes, mais elle est parfois utilisée pour les écrans TFT, dans le cadre d’une fonction appelée « gradation locale ».

Angles de vision des écrans LCD

Le point suivant est l’angle de vue. En ce qui concerne la technologie LCD, il est important de comprendre que l’image que nous voyons, lorsque nous regardons directement un écran, peut être complètement différente de celle que nous voyons d’un angle. Ceci est généralement très bien décrit dans la fiche technique de l’écran. Les angles de vision les plus courants sont de 50, 60 ou 70 degrés. Pour les meilleurs écrans TFT, les angles de vision peuvent même atteindre 89 degrés.

Pour les écrans LCD monochromes, les chiffres sont généralement inférieurs et l’angle de vision est l’angle maximal sous lequel l’utilisateur peut voir une image claire sur l’écran. Il s’agit donc d’une définition assez simple, mais elle est généralement mesurée à l’aide d’un appareil photo, de sorte que nous mesurons le contraste réel. Il est très important de se rappeler que, lorsque l’angle est trop éloigné, l’image n’est pas claire sur l’écran LCD ou n’est pas visible du tout.

Couleurs dans les écrans LCD monochromes

Comme mentionné au début, nous avons également des couleurs pour les monochromes.

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Écrans LCD. Bien sûr, il n’y a qu’une seule couleur pour le rétroéclairage et une seule couleur pour les caractères, mais comme vous pouvez le voir sur l’image ci-dessus, il peut y avoir plusieurs couleurs de rétroéclairage. Nous pouvons avoir un rétroéclairage blanc, orange, vert, bleu ou n’importe quelle couleur de rétroéclairage.

Il ne convient pas à toutes les technologies d’affichage, positives et négatives, mais comme vous pouvez le voir sur l’image ci-dessus, il existe un grand nombre de combinaisons de technologies différentes, positives, négatives, STN, FSTN ou technologie VA (Vertical Alignment), une technologie un peu différente, nous permettant d’avoir des angles de vision larges et des couleurs de rétroéclairage différentes. Ainsi, nous pouvons avoir un grand nombre de variations différentes qui peuvent être utilisées pour construire chaque application.

Afficheurs LCD à caractères et afficheurs LCD graphiques

La dernière partie de cet article traite des écrans graphiques et des écrans de caractères, de leur différence et de leur influence sur le coût d’un écran LCD. Les écrans LCD les plus simples sont les écrans LCD monochromes segmentés ou les écrans à icônes. Dans ce type d’écrans LCD, nous ne disposons que de quelques icônes et caractères, mais ils sont définis lors de la production de l’écran. Ce que nous voyons sur l’écran est défini et nous ne pouvons rien avoir d’autre, l’autre zone est complètement à l’écart. Vous pouvez uniquement activer et désactiver les segments d’affichage. Il s’agit de la technologie la moins chère à produire, et elle est réalisée par masque au cours de la production. Elle est donc généralement réservée aux applications à haut volume, qui sont très bien définies au cours de la phase de production. Par exemple, il peut s’agir d’une montre, d’une calculatrice ou d’un régulateur de température. L’avantage est le coût, mais l’inconvénient est que nous ne pouvons plus rien changer par la suite, nous ne pouvons pas modifier le logiciel et ajouter une autre icône.

Écrans LCD monochromes à caractères

Un autre type d’affichage est l’affichage graphique. Nous disposons donc d’affichages de caractères et d’un affichage entièrement graphique. L’affichage de caractères est également une technologie très populaire. Il s’agit d’une combinaison entre l’affichage de segments et l’affichage graphique, car les champs sont définis et ne peuvent afficher que les caractères, lettres, chiffres, symboles et certains caractères supplémentaires définis par le contrôleur de l’affichage. Sur ce type d’écran, il n’est pas possible d’afficher l’ensemble du graphisme, car chaque personnage est physiquement séparé de l’autre.

Écrans LCD monochromes entièrement graphiques

Ensuite, nous avons l’affichage entièrement graphique. Dans ce type d’écran LCD, nous avons une matrice de pixels. Il peut s’agir d’un écran de 64 par 256 ou de 64 par 128 pixels. Sur ce type d’écran, nous pouvons donc afficher presque toutes les images, car nous pouvons activer et désactiver chaque pixel. Nous pouvons afficher des lettres, des caractères, des images, petites, grandes, tout ce que nous voulons. L’inconvénient est le grand nombre de pixels qu’il faut connecter. Le contrôleur et le verre sont compliqués, car nous devons acheminer les fils de chaque pixel à partir du verre et les connecter au contrôleur. Dans la famille des écrans LCD monochromes, ce type d’écran est donc le plus cher. D’autres types d’écrans sont moins chers, non seulement parce que le verre est simple, mais aussi parce que les contrôleurs sont simples.

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